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UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL
TÍTULO DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
TEMA:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SELLADORA TÉRMICA EN
LÍNEA DE FUNDAS CIERRA-FÁCIL PARA LA EMPRESA
TERRAFÉRTIL S.A.”
AUTOR: SANMARTÍN BERMEO DANNY JAVIER
DIRECTOR: ING. ZAMIR MERA
IBARRA – ECUADOR
2015
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SELLADORA TÉRMICA EN
LÍNEA DE FUNDAS CIERRA-FÁCIL PARA LA EMPRESA
TERRAFÉRTIL S.A.”
Danny Sanmartín
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
Ibarra / Ecuador
I RESUMEN
El presente trabajo de investigación
surge de la necesidad de dar solución al
sistema de sellado de fundas cierra fácil en
la empresa TERRAFÉRTIL S.A, en
especial en el área de producción y
empaque, en la dificultad que se tiene al no
poder utilizar un proceso de sellado
continuo y adecuado, el mismo que se
realiza manualmente usando selladoras a
pedal, cuyo rendimiento no es acorde con
la producción.
Esta máquina consta de un control que
se basa en una sincronización de varios
mecanismos motrices, este nuevo sistema
viene a sustituir un control electromecánico
que requiere de excesivo mantenimiento
debido al desgaste mecánico y eléctrico
que sufren las máquinas. El sistema
reduce el tiempo de puesta en marcha de
la máquina, y le facilita al operador el
cambio de la producción de un producto a
otro, debido a que no es necesario realizar
ajustes mecánicos para darle la longitud de
sellado a la bolsa.
II INTRODUCCIÓN
La empresa TERRAFÉRTIL S.A. ha
llegado a constituirse en una de las
empresas pioneras a nivel nacional e
internacional, en la categoría de pequeña y
mediana empresa, cuya actividad social y
económica es la elaboración, producción, y
comercialización de frutos secos y
deshidratados, destinados al consumo
humano, garantizando su inocuidad en
cada uno de sus procesos.
Para el proceso de sellado, actualmente
en la empresa de utilizan selladoras a
pedal, como se muestra en la (figura 1.1),
con un rendimiento efectivo de 15 a 20
fundas por minuto, y teniendo una
productividad tan alta se hace difícil
controlar la hermeticidad y estética de
sellado funda a funda.
Figura: Proceso actual de sellado
Para la elaboración de cada uno de
estos productos la empresa se rige por
varios estándares de calidad. Inclusive han
llegado a implementar las buenas prácticas
de manufactura BPM´s, en cada uno de
sus procesos, que empieza con la rigurosa
selección de la materia prima, en la que los
proveedores son sometidos a
evaluaciones de carácter de calidad.
Luego el proceso de transformación de la
materia que es canalizado e implantado
por el departamento de control de calidad,
que son los encargados de liberar los lotes
tanto de materia prima como de producto
terminado.
Para el embalaje de los productos se
utilizan fundas doy pack que son fundas
prefabricadas y que están dotadas de un
cierra-fácil en la parte superior como se
detalla en la figura 1.2.
Figura: Fundas prefabricadas
III PROBLEMA
El sellado térmico es el proceso más
crítico dentro de la industria alimenticia, ya
que de este depende la vida útil del
producto, sin embargo existen industrias
en donde todavía se realiza dicho proceso
manualmente ocasionando problemas
estéticos y más aún si repercute en el
tiempo de producción.
En la empresa el proceso de sellado de
las fundas cierra-fácil se realiza mediante
selladoras de pedal, en donde la presión y
temperatura de los selladores no son
controladas, por ende no se puede
garantizar la hermeticidad y presentación
del producto.
Se está produciendo una gran
revolución con las nuevas tecnologías, de
las que cada vez obtenemos mayor
precisión y fiabilidad en los diferentes
procesos, por lo tanto con la selladora de
fundas cierra-fácil se mejorará en gran
cantidad la productividad de la empresa,
cabe destacar que, gracias a las nuevas
tecnologías, el control de la contaminación
y la salud ocupacional es cada vez mayor.
Desarrollando el presente proyecto se
brindará una solución real a una necesidad
de renovar un proceso en la industria local,
demostrando así como las máquinas y los
procesos pueden ser mejorados con la
tecnología y con una alta visión
empresarial.
IV OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir una máquina
selladora térmica en línea de fundas cierra-
fácil, que satisfaga las necesidades de la
producción, en la empresa TERRAFÉRTIL
S.A.
V OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar las variables que
intervienen en el proceso de
sellado para tener un previo diseño
del prototipo.
Diseñar y seleccionar los diferentes
elementos mecánicos, eléctricos, y
de control, para cumplir las
expectativas de diseño inicialmente
planteadas.
Construir y ensamblar cada uno de
los elementos de la máquina.
Realizar las diferentes pruebas y
ajustes para el funcionamiento
óptimo de la selladora.
VI FUNDAMENTO TEÓRICO
TÉCNICAS DE SELLADO
Para el sellado de los plásticos se
emplean algunos métodos utilizados en el
ámbito industrial, entre ellos se tiene:
Sellado térmico
Sellado ultrasónico
Sellado adhesivo
SELLADO TÉRMICO
El sellado térmico consiste en sellar dos
porciones superpuestas de un material,
mediante el uso de calor generado por
resistencias calefactoras sobre barras
calientes que unen las porciones del
material.
Entre sus principales características se
encuentran:
Sencillo en cuanto a la
implementación y uso.
No requiere maquinaria ni controles
sofisticados.
Es de bajo costo de
implementación.
No utiliza solventes ni sustancias
de relleno.
Sellado confiable y resistente.
Requiere un previo tiempo para
calentamiento de niquelinas y
barras.
SELLADO ULTRASÓNICO
El sellado ultrasónico es una técnica
innovadora en la que se utiliza la
frecuencia de ultrasonido para unir entre si
molecularmente dos porciones de un
material
Entre sus principales características se
encuentran:
Tiempos de proceso muy rápidos.
Alto control y monitoreo del estado
del proceso.
Sellado confiable y resistente sin
imperfecciones visual.
Tecnología de bajo consumo de
energía muy amigable con el
ambiente.
No utiliza solventes ni sustancias
de relleno para el sellado.
Empaques impermeables.
No requiere previo calentamiento
de la máquina.
SELLADO ADHESIVO
Este procedimiento de sellado involucra
el uso de pegamentos y sustancias
adhesivas para la unión de las partes
plásticas y formación de la funda.
Entre sus principales características se
encuentran:
Sellado de materiales compatibles
con el tipo de pegamento.
El sellado no es completamente
impermeable.
Tiempos de proceso moderados.
Bajo consumo de energía.
Uso de pegamentos, siliconas o
resinas en el sellado.
Sellado resistente pero sin
posibilidad de re uso del empaque.
POLÍMEROS
Los polímeros son macromoleculas
(geneeralmente organicas) formadas por la
union de moleculas mas pequeñas
llamadas monomeros, ente caso las
macromoleculas son el polietileno y los
monomeros corresponden al etileno.
Figura: Composición de un polímero
Para tener en conocimiento de donde
surge el polietileno, que es la materia prima
de las fundas prefabricadas se tiene un
gráfico en donde se puede observar que
pertenece a los termoplásticos.
Figura: Clasificación de los polímeros
PROPIEDADES DEL POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
EL Polietileno de baja densidad es la
materia prima del envase a usarse para la
presentación de los productos, por lo que
se va a ver algunas características
necesarias de estos plásticos para su
análisis.
Tabla: Propiedades mecánicas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo elástico E
(N/mm2) 200
Módulo de tracción
(GPa) 0,1-0,3
Resistencia a tracción
(MPa) 5 - 25
Esfuerzo de rotura
(N/mm2) 8 - 10
Elongación a ruptura
(%) 20
Tabla: Características térmicas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES TÉRMICAS
Calor específico (J K-1 kg-1) 1900-2300
Coeficiente de expansión (x 106 K-
1) 100-200
Conductividad térmica a 23 ºC
(W/mK) 0,33
Temperatura de reblandecimiento
(ºC) 110
Temperatura de cristalización (ºC) 105-110
Tabla: Características eléctricas del
polietileno
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Constante dieléctrica a 1
MHz 2,2-2,35
Factor de disipación a 1
MHz 1-10 X 10-4
Resistencia dieléctrica (kv
mm-1) 27
Resistencia superficial
(ohm/sq) 1013
Resistencia de volumen
(ohm cm) 1015-1018
PARÁMETROS DE DISEÑO
La empresa TERRAFÉRTIL S.A. como
productores de frutos secos y
deshidratados pretenden obtener muy
buenos resultados con la selladora, ahorrar
tiempo y a la vez tener una mayor
producción, por lo que se debe cumplir con
los siguientes requerimientos de diseño.
FUNCIONALES
Tareas a realizar
Ingreso manual de la fundas.
Alimentación horizontal de las
fundas.
Arrastre de las fundas al área de
los rodillos de sellado, por medio
de bandas de silicona.
Sellado de las fundas que se
alimenten a la máquina.
Posterior arrastre de la funda para
mantener estabilidad por medio de
rodillos de silicona.
Ayudar al empaque a recorrer la
etapa mediante una banda
transportadora.
Despacho de bolsa para su
posterior empaquetado.
Parámetros de diseño
Tipo de empaque a sellar: Fundas
Prefabricadas tipo Doy pack.
Temperatura de operación: 100-
160 °C
Temperatura ambiente del
producto a sellar: 18 °C.
Energía de alimentación, debe ser
110 Vac Monofásico, 60 Hz.
Las dimensiones ajustadas a
instalaciones (mediana y pequeña
empresa), ser ligero y versátil.
En cuanto a las partes de control
sea netamente eléctrico y de fácil
intercambio y reemplazo de
repuestos.
Construcción en acero inoxidable
304 y materiales grado sanitario,
aptos para el contacto con
alimentos según normas
internacionales.
OPERACIONALES
Debe ser de fácil movilidad y
ajuste.
Que sea de fácil desmontaje.
Diseñar pensando en el operador,
para personal con poca
calificación.
Ergonómica y pensada en la
seguridad del personal.
De fácil instalación y operación, de
fácil entendimiento.
COMERCIALES
Las dimensiones de la máquina
deben ajustarse a los espacios en
la micro, pequeña y mediana
empresa.
Vida útil: 10 años
aproximadamente.
Uso de materiales o repuestos de
proveedores locales
preferiblemente.
Uso de materiales poco
degradables para garantizar su
vida útil.
1.1 FORMULACIÓN DE ALTERNATIVAS
DE DISEÑO
En la formulación de alternativas de
diseño se tiene un banco de opciones para
luego ser elegidas estratégicamente tanto
en el mecanismo de sellado como en el
mecanismo de tracción de movimiento del
equipo, la alternativa a elegir será la que
mediante el estudio en una matríz de
decisión y la opción apropiada va a ser en
la que se obtenga un mayor puntaje.
SELLADO
Sellado por inducción (opción A)
Sellado por mordazas (opción B)
Sellado por rodillos (opción C)
Sellado por ultrasonido (opción D)
Tabla: Matriz de decisión del sistema de sellado
La alternativa más adecuada para el
diseño del sistema de sellado, es el sellado
por rodillos térmicos con un porcentaje del
73%. La segunda opción es el sellado por
inducción o por mordazas.
CARACTERÍSTI
CAS TÉCNICAS
ALTERNATIVAS DE DISEÑO
A B C D IDEAL
Seguridad 20 20 25 18 30
Bajo costo inicial 4 8 12 1 15
Silencioso 8 5 7 8 10
Bajo costo de operación y mantenimiento
1 4 4 1 5
Buen desempeño
4 3 4 4 5
Tamaño pequeño y ligero
2 1 4 4 5
Facilidad de manufactura
2 1 4 3 5
Facilidad de servicio y reemplazo de piezas
5 3 4 3 5
Facilidad de operación
4 3 5 4 5
Componentes de fácil adquisición en el mercado
2 4 4 2 5
TOTAL % 52 52 73 48 100
TRACCIÓN DE MOVIMIENTO
Tracción por engranajes (opción A)
Tracción por cadena (opción B)
Tracción por banda (opción C)
Tabla: Matriz de decisión del sistema de tracción
CARACTERÍS
TICAS TÉCNICAS
ALTERNATIVAS DE
DISEÑO
A B C IDEAL
Seguridad 21 26 25 30
Bajo costo inicial
6 12 12 15
Silencioso 4 6 7 10
Bajo costo de operación y mantenimiento
2 4 4 5
Buen desempeño
1 4 2 5
Tamaño pequeño y ligero
2 4 3 5
Facilidad de manufactura
1 4 3 5
Facilidad de servicio y reemplazo de piezas
4 3 5 5
Facilidad de operación
4 4 4 5
Componentes de fácil adquisición en el mercado
2 4 2 5
TOTAL % 47 71 67 100
La alternativa que mejor se adapta a los
requerimientos de tracción es por medio de
cadenas, la opción B, debido a que se
obtuvo un porcentaje del 71% teniendo
como segunda opción a la tracción por
bandas.
CAPACIDADES
Figura: Funda prefabricada
Ecuación: Fórmula para encontrar la cantidad de fundas selladas por minuto
Q =Rs
Ls + Ef
Donde:
Ls = Longitud de sellado de la funda=16 cm
= 0,16 m
Ef = Espacio entre funda y funda=15 cm =
0,15 m
Rs = Recorrido de sellado en un minuto: 10
m
Q = Cantidad de fundas selladas por
minuto
Reemplazando se tiene:
Q =10 m
0,16 m + 0,15 m
Q =10
0,31= 32,2581
= 32 fundas por minuto
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
La estructura es la parte primordial
dentro del diseño ya que de esta depende
que el equipo no colapse, para realizar los
cálculos hay que elaborar una tabla, como
la tabla 3.11, en la que se detalla el peso
de cada elemento de la máquina
Tabla: Peso de los componentes de la máquina
DESCRIPCIÒN CANT.
PESO
(kg.)
CARGA
(N)
MOTOR -
REDUCTOR
MECANISMO
DE SELLADO
BANDA
TRANSPORTA
DORA
TOTAL
1
1
1
2
17,32
2,559
21.987
19,62
169,9
25,1
215,69
TAMAÑO
ALTO: 1350 mm
ANCHO: 750 mm
LARGO: 450 mm
ESFUERZO MÁXIMO DE VON MISES
En el análisis se obtiene el esfuerzo de
Von Mises con un valor de 10,63 Mpa
como se observa en la figura.
Figura: Esfuerzo máximo de Von Mises
Es decir:
σ. ≤ Sy
Donde:
𝜎 .= Esfuerzo de Von Mises
Sy = Es la resistencia a la fluencia del
material
10,63 MPa ≤ 310 MPa
Se puede concluir que el esfuerzo de
Von Mises es menor que la resistencia a la
fluencia del material, por lo que garantiza
que el sistema no va a colapsar y esta bien
dimensionado.
FACTOR DE SEGURIDAD DE LA ESTRUCTURA
Para la estructura se utiliza acero
inoxidable 304, con las características de:
Sy = 310 MPa Y Sut = 620 MPa
Con lo anteriormente detallado, se
procede a encontrar el FDS en la
estructura; para esto se acude a la
ecuación.
Ecuación: Factor de seguridad
σ. =Sy
n
Fuente: (BUDYNAS, 2008)
Donde:
n = Factor de Seguridad
Sy = Resistencia a la fluencia del material
σ.= Esfuerzo de Von Mises
Entonces:
n =Sy
σ.
n =310 MPa
10,63 MPa
n = 29,16
CONTROLADOR DE TEMPERATURA
Para el desarrollo del presente
proyecto, en cuanto al control de
temperatura se usará un controlador
Watlow de la serie 935A-1CC0-000R, ver
(figura 4.4), es un controlador de
temperatura con temporizador de conteo
regresivo para aplicaciones industriales,
comerciales o científicas.
Figura : Controlador de temperatura Watlow 935A-1CC0-000R
Se puede observar a continuación en la
figura, las características del controlador:
Figura: Características del pirómetro
Watlow 935A
SENSOR DE TEMPERATURA
En este caso se emplea una termocupla
tipo J ver figura 4.8, que no es más que dos
alambres de distinto material unidos en
uno de los extremos y el otro se lo conecta
al pirómetro, al momento de aplicar calor
en la punta unida se produce un diferencial
de voltaje, en la orden de los mili voltios el
mismo que varía proporcionalmente con la
temperatura. La termocupla tipo j que es
totalmente con compatible con el pirómetro
Watlow, y permite lecturas de 0 a 750 °C.
A continuación sus características ver
(tabla 4.7).
Figura: Termocupla tipo J
Tabla: Características de la termocupla Termokew tipo J
PARÁMETRO VALOR
Material Hierro -constantán
Rango de
temperatura
0 - 760 °C
Tolerancia ± 2.2 - 0.75%
Recubrimiento Inoxidable 304
Diámetro 3/16 in
CONTROL Y AJUSTE DE VELOCIDAD
Para el control le velocidad de la
máquina se ha elegido un controlador
netamente adaptable para un motor de
corriente continua ver figura 4.9, basado en
un circuito por triacs el cual consiste en la
variación del voltaje y a su vez la velocidad
proporcional a este.
Figura: Variador de velocidad
VIII CONCLUSIONES
Se cumple con el principal objetivo
del proyecto que es el diseño y
construcción del equipo, logrando
cumplir las expectativas y los
parámetros inicialmente
planteados.
Con la implementación de la
selladora térmica en línea se elevó
la eficiencia del proceso en un 40%,
y a su vez se incrementó la tasa
producción en un 75% en la
empresa.
Se debe tener en cuenta antes de
ejecutar la marcha del proyecto,
realizar un estudio previo de las
variables de temperatura y
velocidad de sellado de los
empaques a sellar, ya que estas
variables se constituyen en un pilar
esencial en el diseño.
El acero inoxidable 304 empleado
es un excelente material ya que es
capáz de resistir los esfuerzos a los
que será sometida la máquina,
como además sus propiedades que
lo constituyen en un material
aséptico e idóneo para trabajar con
alimentos.
Si bien es cierto la selladora
contínua está diseñada para sellar
fundas con cierra fácil de calibre 94
µ, se la puede adaptarla para su
trabajo en cualquier otro tipo de
funda de menor o mayor calibre.
En la rama de diseño se debe
contar con las herramientas
necesarias para poder hacer un
prototipo que a su vez ofrezca las
garantías pertinentes, en este caso
se ha optado por dos software de
diseño asistido por computador
como lo son Autodesk Inventor y
Solid Works que resultaron ser de
gran ayuda para la ejecución y
validación de cada una de las
piezas, simulaciones y
corroboración de medidas.
IX RECOMENDACIONES
Tener presente al momento de
realizar un previo diseño, que los
materiales y repuestos que se
necesitan para la manufactura del
equipo se puedan conseguir
fácilmente en el mercado
industrial, y así evitar que las
dimensiones asignadas o
calculadas a cada elemento sean
inconsistentes con el material
disponible.
Procurar que los materiales a
usarse en la manufactura de la
máquina se rijan en base a las
normativas alimenticias
estandarizadas y aceptadas a
nivel internacional, para evitar la
posible contaminación del
producto y garantizar la seguridad
y asepsia del proceso.
Para ejecutar un proyecto de
implementación de una máquina
en la industria, es necesario
realizar un previo análisis
económico, en donde se dará
cuenta prematuramente si es o no
viable efectuar dicho proyecto,
tanto para el diseñador como para
la empresa.
Para convalidar los datos de
diseño es necesario apoyarse en
un software de diseño y modelado,
tanto para simulaciones como para
generación de planos de
manufactura.
Realizar los trabajos de
mantenimiento siguiendo una a
una las actividades propuestas en
el plan de mantenimiento, para
prevenir daños prematuros en la
máquina y mantener una vida útil
mayor.
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